1.2 Stabilizátory 1.2.1
Úkol: 1. Změřte VA charakteristiku Zenerovy diody 2. Změřte zatěžovací charakteristiku stabilizátoru se Zenerovou diodou 3. Změřte převodní charakteristiku stabilizátoru se Zenerovou diodou
1.2.2
Teorie:
U jednotlivých elektronických zařízení které nevyžadují velkou přesnost stabilizace se většinou používají parametrické stabilizátory využívající vlastnosti nelineárních prvků zejména Zenerovy diody. Stabilizátory dělíme na: -
Stabilizátory se Zenerovou diodou
-
Integrované stabilizátory
Zenerovy diody se z hlediska fyzikálního principu dělí na do dvou skupin. Pokud se jedná o malé napětí (asi do 8 V) je fyzikálním principem Zenerův jev. Zenerova dioda s vyšším napětím funguje na principu lavinového průrazu závěrně polarizovaného přechodu PN. Průrazné napětí závěrně polarizované diody závisí na měrném odporu materiálu, z něhož je dioda vyrobena. Charakteristika v propustném směru je shodná s charakteristikou běžné polovodičové diody. Pokud z vnějšího obvodu prochází Zenerovou diodou určitý minimální proud, lze ji v náhradním obvodu zakreslit jako stejnosměrný zdroj UZD v sérii s odporem Rd, který je dán strmostí voltampérové charakteristiky v použité oblasti. Při překročení maximální hodnoty proudu I max Zenerovou diodou dojde k tepelné nevratné destrukci, tedy ke zničení diody. Nejjednodušší stabilizátor napětí se Zenerovou diodou se skládá z předřadného odporu R a Zenerovy diody zapojené v závěrném směru.
Obr. 1. Stabilizátor se Zenerovou diodou Měníme-li napětí U1 na vstupu stabilizátoru za předpokladu, že U1 > UZ, stabilizátor nám udržuje na výstupních svorkách téměř konstantní napětí U2, které je přibližně rovno napětí UZ. Rozdíl mezi napětím na vstupu a výstupu stabilizátoru U1 – U2 musí být podle II. Kirchhoffova zákona [KZ] vytvořen na předřadném odporu R. Tento úbytek napětí je vytvořen proudem I1 který prochází předřadným odporem R. Proud I1 je tvořen podle I. KZ proudem Zenerovou diodou IZ a proudem I2, který odebírá ze stabilizátoru zátěž. V případě odpojení zátěže je proud I1 tvořen pouze proudem IZ. Tudíž Zenerova dioda je nejvíce zatížená, když je odběr minimální.
UZD – Zenerovo napětí ∆I – rozdíl proudů v závěrném směru ∆U – rozdíl napětí v závěrném směru Rd – odpor zenerovy diody v závěrném směru Imin – minimální proud při kterém dochází z zenerovu jevu Imax – max. proud při kterém nedojde k poškození diody Ptot – celkový ztrátový výkon
Obr. 2. VA charakteristika Zenerovy diody
Jednoúčelové integrované stabilizátory jsou řešeny pro stabilizaci jediného výstupního napětí. Zpravidla jsou řešeny jako výkonové obvody.
Obr. 3. Zapojení integrovaného stabilizátoru Víceúčelové stabilizátory jsou schopné pracovat v různých režimech, především s různým výstupním napětím, jehož velikost je nastavitelná prostřednictvím vnějších pasivních prvků. Obvody jsou obvykle řešeny jako malovýkonové.
1.2.3
Zadání:
Poznamenejte si katalogové hodnoty součástek z přiloženého listu. Např. KZ 260/6V2 UZ = 5,8V až 6,6V , IZ = 0,18A, Ptot = 0,13W, UR = 6V při IR = 0,5µA Popis použitých přístrojů a součástek: G
generátor harmonického signálu
Zdr
stejnosměrný zdroj
Osc
analogový osciloskop
A1,A2 ampérmetr V1,V2 voltmetr DZ
Zenerova dioda
R
rezistor 220Ω
RZ
zatěžovací odpor 5kΩ
Ad1) Schéma zapojení:
Obr. 4. Zapojení elektrického obvodu pro měření VA charakteristiky zenerovy diody UG – napětí generátoru harmonického signálu UD – napětí na zenerově diodě UR – napětí na rezistoru Postup měření: a) Zapojíme součástky dle schématu. V zapojení používáme stavebnici Dominoputer. Rozložení součástek by mělo odpovídat schématu zapojení. b) Před začátkem měření nastavíme na modré sondě osciloskopu přepínač do polohy č.1 a provedeme kalibraci rozsahů obou sond. c) Připojíme sondy osciloskopu. (sondu č.1 na zenerovu diodu, sondu č.2 na zatěžovací odpor) Zemnící svorky obou sond musí být vyvedeny ze stejného uzlu.
Obr. 5. Připojení zemnících svorek Po zapojení zavoláme vyučujícího, a teprve po kontrole zapneme zdroj napětí. d) Na generátoru nastavíme 8V. Na osciloskopu přepneme na kanál č.1 a zkontrolujeme průběh napětí na zenerově diodě.
Obr. 6. Průběh napětí na zenerově diodě Pozn. V propustném směru vidíme úbytek napětí na zenerově diodě (asi 0,7V).V závěrném směru je napětí jehož amplituda je omezena velikostí Zenerova napětí UZ. e) Osciloskop přepneme na kanál č.2 a zkontrolujeme průběh napětí na zatěžovacím odporu.
Obr. 7. Průběh napětí na zatěžovacím rezistoru Pozn. V propustném směru je na rezistoru napětí zdroje snížené o úbytek napětí na Zenerově diodě. V závěrném směru se objeví napětí, které je rovno napětí zdroje sníženému o Zenerovo napětí. f) Osciloskop přepneme na duální režim a časovou základnu přepneme na režim XY. Po přepnutí na režim XY je třeba, aby zobrazený bod na osciloskopu byl v počátku souřadnicových os.. Výsledné zobrazení bude VA charakteristika zenerovy diody.
Obr. 8. VA charakteristika zenerovy diody
Pozn.: Na ose X vidíme skutečné hodnoty napětí na zenerově diodě, osa Y je proudová, proto musíme provést přepočet. Jelikož je proud procházející tímto obvodem všude stejný vypočítáme proud procházející zenerovou diodou z napětí na zatěžovacím rezistoru (sonda osciloskopu č.2) a jeho odporu. (viz.Ohmuv zákon). Ad2) Schéma zapojení:
Obr. 9. Zapojení elektrického obvodu pro měření zatěžovací charakteristiky Postup měření: a) Zapojíme elektrický obvod podle schématu zapojení. b) Na stejnosměrném zdroji nastavíme 9V. c) Budeme měnit odpor zátěže od 999kΩ do 2kΩ. Krok se kterým měníme odpor volíme nejprve po stovkách,poté po desítkách a nakonec po jednotkách. (př. 999kΩ, 899kΩ…….99kΩ, 89kΩ……9kΩ, 8kΩ….) d) Naměřené hodnoty napětí a proudů zapisujeme do tabulky ze které se vytvoří graf (zatěžovací charakteristika).
Obr. 10. Zatěžovací charakteristika
Ad3) Schéma zapojení:
Obr. 11. Zapojení elektrického obvodu pro měření zatěžovací charakteristiky Postup měření: a) Zapojíme elektrický obvod podle schématu zapojení. b) Na zatěžovacím odporu nastavíme 5kΩ. c) Budeme měnit napětí stejnosměrného zdroje od 0V do 9V. Krok se kterým měníme napětí je 0,3V. d) Naměřené hodnoty napětí zapisujeme do tabulky ze které se vytvoří graf (převodní charakteristika).
Obr. 12. Převodní charakteristika
